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• Marcelo Endimato Diaz C

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2. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL PROCESO DE TRANSFERENCIA DE CALOR Las operaciones de secado pueden clasificarse ampliamente según que sean por lotes o continúas. Estos términos pueden aplicarse específicamente desde el punto de vista de la sustancia que está secando. CLASIFICACIÓN DE LOS SECADORES. Los secadores se clasifican según: 1. El método de transmisión de calor a los sólidos húmedos - Secadores directos. - Secadores indirectos. - Secadores diversos. 2. Las características de manejo y las propiedades físicas del material mojado - Secadores discontinuos o por lote. - Secadores continuos. - Secadores para sólidos granulares o rígidos y pastas semisólidas. - Secadores que pueden aceptar alimentaciones líquidas o suspensiones. El primer método de clasificación revela las diferencias en el diseño y el funcionamiento del secador, mientras que el segundo es más útil para seleccionar entre un grupo de secadores que se someten a una consideración preliminar en relación con un problema de desecación específico. SECADORES DIRECTOS La transferencia de calor para la desecación se logra por contacto directo entre los sólidos húmedos y los gases calientes. El líquido vaporizado se arrastra con el medio de desecación; es decir, con los gases calientes. Los secadores directos se llaman también secadores por convección. Características. Las características generales de operación de los secadores directos son  El contacto directo entre los gases calientes y los sólidos se aprovecha para calentar estos últimos y separar el vapor.  Las temperaturas de desecación varían hasta 1000 K, que es la temperatura limitante para casi todos los metales estructurales de uso común.  A temperaturas de gases inferiores al punto de ebullición, el contenido de vapor del gas influye en la velocidad de desecación y el contenido final de humedad del sólido. A temperaturas superiores el efecto es mínimo, por lo tanto los vapores sobrecalentados del líquido que se está separando pueden servir para desecar.

 Para desecaciones a temperaturas bajas y cuando las humedades atmosféricas son excesivamente elevadas, quizás sea necesario deshumidificar el aire de desecación.  La eficiencia mejora al aumentarse la temperatura del gas de entrada, para una temperatura de salida constante.  Las cantidades de gas para abastecer todo el calor de desecación, dependen de la temperatura de entrada del gas, la temperatura de desecación y la cantidad de materia a tratar.  Se requieren equipos grandes cuando las partículas del sólido son pequeñas.

Secadores Directos Continuos: la operación es continua sin interrupciones, en tanto se suministre la alimentación húmeda. Es evidente que cualquier secador continuo puede funcionar en forma intermitente o por lotes, si así se desea.  TIPOS DE SECADORES DIRECTOS CONTINUOS  De bandejas: también se llama secador de anaqueles, de gabinete, o de compartimientos, el material, que puede ser un sólido en forma de terrones o una pasta, se esparce uniformemente sobre una bandeja de metal de 10 a 100 mm de profundidad. Un ventilador recircula aire calentado con vapor paralelamente sobre la superficie de las bandejas. También se usa calor eléctrico, en especial cuando el calentamiento es bajo. Más o menos del 10 al 20% del aire que pasa sobre las bandejas es nuevo, y el resto es aire recirculado. Después del secado, se abre el gabinete y las bandejas se remplazan por otras con más material para secado. Una de las modificaciones de este tipo de secadores es el de las bandejas con carretillas, donde las bandejas se colocan en carretillas rodantes que se introducen al secador. Esto significa un considerable ahorro de tiempo, puesto que las carretillas pueden cargarse y descargarse fuera del secador. En el caso de materiales granulares, el material se puede colocar sobre bandejas cuyo fondo es un tamiz. Entonces, con este secador de circulación cruzada, el aire pasa por un lecho permeable y se obtienen tiempos de secado más cortos, debido a la mayor área superficial expuesta al aire.

 Secadores de Material dosificado en capas: Se hace pasar por el secador una capa continua de material ya sea como tiras o en una lámina tensa y distendida sobre un marco de clavijas  Secadores transportador neumático: en este tipo, la desecación se realiza a menudo en combinación con la trituración. El material se transporta dentro de gases a alta temperatura y velocidades elevadas hasta un colector de ciclón.  Rotatorios: Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira por lo general, sobre su eje, con una ligera inclinación hacia la salida. Los sólidos granulares húmedos se alimentan por la parte superior, tal como se muestra en la figura y se desplazan por el cilindro a medida que éste gira. El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes mediante un flujo a contracorriente. En algunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared calentada del cilindro.

 Por aspersión: la alimentación al secador debe poderse atomizar ya sea mediante un disco centrífugo o una boquilla.

 Circulación directa: el material se mantiene en un tamiz de transporte continuo, mientras se sopla aire caliente a través de él.

Túnel: el material colocado en carretillas se desplaza a través de un túnel en contacto con gases calientes

Secadores de lechos fluidos, los sólidos se fluidifican en un tanque estacionario. También pueden tener serpentines de calor indirecto.

Secadores Directos Por lotes: se diseñan para operar con un tamaño específico de lote de alimentación húmeda, para ciclos de tiempo dado. En los secadores por lote las condiciones de contenido de humedad y temperatura varían continuamente en cualquier punto del equipo. Tipos de secadores directos por lotes.  Circulación directa: el material se coloca en bandejas con base tamiz a través. de las cuales se sopla aire caliente.  Bandeja y compartimiento: el material se coloca en bandejas que pueden o no montarse en carretillas removibles. El aire se sopla sobre el material contenido en las bandejas.  Lecho fluido: los sólidos se fluidifican en un carro estacionario sobre el cual va montado un filtro de polvo. SECADORES INDIRECTOS El calor de desecación se transfiere al sólido húmedo a través de una pared de retención. El líquido vaporizado se separa independientemente del medio de calentamiento. La velocidad de desecación depende del contacto que se establezca entre el material mojado y las superficies calientes. Los secadores indirectos se llaman también secadores por conducción o de contacto. Características de los Secadores Indirectos.  El calor se transfiere al material húmedo por conducción a través de una pared de retención, casi siempre de índole metálica.  Las temperaturas de superficie pueden variar desde niveles inferiores al de congelación hasta mayores que 800 K, en el caso de secadores indirectos calentados por productos de combustión.

 Los secadores indirectos son apropiados para desecar a presiones reducidas y en atmósferas inertes, para poder recuperar los disolventes y evitar la formación de mezclas explosivas o la oxidación de materiales que se descomponen con facilidad.  Los secadores indirectos que utilizan fluidos de condensación como medio de calentamiento son en general económicos, desde el punto de vista de consumo de calor.  La recuperación de polvos y material finamente pulverizados se maneja de un modo más satisfactorio en los secadores indirectos que en los directos.

Clasificación de los Secadores Indirectos.  Continuos.  Por lotes.

Secadores Indirectos Continuos: la desecación se efectúa haciendo pasar el material de manera continua por el secador, y poniéndolo en contacto con las superficies calientes. Tipos de Secadores Indirectos Continuos. 

Secadores de cilindro para hojas continuas, como papel celofán, piezas textiles. Por lo común, los cilindros se calientan con vapor y son rotatorios.



Secadores de tambor, se pueden calentar con vapor o agua caliente.



Secadores de transportador de tornillos, aunque son continuos pueden funcionar al vacío y permiten recuperar el disolvente durante el desecado.



Secadores rotatorios de tubos de vapor, se pueden utilizar vapor o agua caliente, es factible trabajar con una ligera presión negativa para permitir recuperar el disolvente durante el desecado.



Secadores de bandejas vibradoras, el calentamiento se logra con vapor o agua caliente.



Tipos especiales, como bandas de tejido continuas que se mueven en contacto estrecho con una platina calentada al vapor o agua caliente.

Secadores Indirectos Por lotes: en general los secadores indirectos por lotes se adaptan muy bien a operaciones al vacío. Se subdividen en tipos agitados y no agitados. Tipos de Secadores Indirectos por Lote. 

Secadores de artesas agitadas: estos pueden operar atmosféricamente o al vacío, y manejan una producción pequeña de casi cualquier forma de sólidos húmedos, es decir, líquidos, lechadas, pastas o sólidos granulares.



Secadores por congelación: el material se congela antes de desecarse y a continuación se realiza la desecación en ese estado al vacío.



Secadores rotatorios al vacío: el material se agita bajo una cubierta horizontal estacionaria, no siempre es necesario aplicar vacío, el agitador se puede calentar con vapor además de hacer lo mismo con la cubierta.



Secadores de bandejas al vacío: el calentamiento se hace por contacto con parrillas calentadas con vapor o agua caliente, sobre las cuales se coloca el material. No interviene la agitación.

SECADORES DIVERSOS  Secadores dieléctricos: operan sobre el principio de generación de calor dentro de los sólidos, colocándolos dentro de un campo eléctrico de alta frecuencia.  Secadores solares: operan sobre el principio la energía solar para el secado de frutas y disecación al sol.  Secadores Infrarrojos: dependen de la transferencia de energía radiante para evaporar la humedad. La energía radiante se suministra eléctricamente por medio de lámparas infrarrojas, resistencias eléctricas o refractarios incandescentes calentados por gas .Su aplicación principal es el horneado o la desecación de capas de pintura y el calentamiento de capas delgadas de materiales.

ESQUEMA DE UN SECADOR

SELECCIÓN DE EQUIPO DE SECADO • • • •

Facilidad de operación Obtener el producto deseado en la forma y velocidad especificadas. Los diferentes tipos de secadores son complementarios y no competitivos. La elección se decide sobre la base de los costos de inversión y de operación.

CONSIDERACIONES • Los secadores discontinuos son en general los más utilizados cuando la capacidad de producción de sólido seco es inferior de 150 a 200 Kg/h (300 a 400 lb/h) • Los secadores continuos casi siempre se utilizan para capacidades de producción superiores a 1 o 2 toneladas/h. • Para velocidades de producción intermedias es preciso considerar otros factores. • Los materiales sensibles al calor han de secarse a baja temperatura y al vacío. • Los cristales más frágiles se tratan por lo general en secadores de bandejas, de tornillo transportador o en torres de secado. • Operar con seguridad y economía

CALCULO DE SECADRES: POR LOTE Y CONTINUO CALCULO DE SECADOR CONTINUO

Un

balance

de materia con respecto 𝐺𝐻2 + 𝐿𝑆 𝐻1 = 𝐺𝐻1 + 𝐿𝑆 𝑋2

a

la

unidad:

La entalpia del sólido húmedo está constituida por la entalpia del solido seco más la del líquido como humedad libre 𝐻`𝐺 = 𝐶𝑆 (𝑇𝐺 − 𝑇0 ) + 𝐻𝜆0 Donde 𝐻`𝐺 es la entalpia del gas en KJ/Kg aire seco, 𝑇0 es la temperatura de referencia y es 0ºC, 𝜆0 es el calor latente del agua a 0ºC que es igual a 2501 KJ/Kg y 𝐶𝑆 es el calor húmedo en KJ/Kg aire seco K. 𝐶𝑆 = 1.005 + 1.88𝐻 𝐻`𝑠 = 𝐶𝑝𝑆 (𝑇𝑠 − 𝑇0 ) + 𝑋𝑐𝑃𝐴 + (𝑇𝑠 − 𝑇0 ) La entalpia del solido húmedo 𝐻`𝑠 en KJ/Kg de solido seco, donde 𝐶𝑝𝑆 es la capacidad calorífica del solido seco en KJ/Kg de solido seco. K y 𝑐𝑃𝐴 es la capacidad calorífica de la humedad liquida en KJ/Kg H2O.K. Se desprecia el calor de humidificación. El balance de calor para el secador es: GH`G2 + LSH`S1 = HG`G1 + LSH`S2 + Q Donde es la perdida de calor en el secado en KJ/Hr. Para un proceso adiabático Q=0 y si se añade calor Q es negativo.

CALCULO EXPERIMENTAL DE SECADOR POR LOTE Para empezar el proceso de diseño del secador se inició por establecer los límites de las variables a controlar de tal forma que cumplieran con la condición de alta versatilidad. Los límites de las variables se establecieron de la siguiente forma:  -temperatura: ambiente a 70 ºC (de acuerdo a las temperaturas máximas usadas en el secado de alimentos).  -velocidad del aire: de 1 a 4.1 m/s (promediando las velocidades de aire usadas por secadores comerciales empleados industrialmente.)  -tipo de flujo: radial y transversal  -Humedad absoluta: 0.009019-0.029160 kg de agua / kg de gas 

CALCULO DEL VOLUMEN HUMEDO

Se efectúa usando la siguiente ecuación

Donde: Mn= eso molecular del agua = 18.02 g/mol Ma= peso molecular del aire = 28.97 g/mol TG= temperatura del aire = 20ºC Pt= Presión total en Pa VH = volumen húmedo en m3 de mezcla/ kg de aire 

CALCULO DEL FLUO VOLUMETRICO:

Donde: C= flujo volumétrico (m3/s) H= altura del túnel en la cámara de secado (m) I= ancho del túnel en la cámara de secado (m) Ab= área trasversal de las bandejas (m2) V= velocidad en el túnel (m/s) 

CALCULO DEL FLUJO MASICO

Donde: G= flujo másico del aire seco a enfriar (Kg/s) C= flujo volumétrico del aire (m3/s)

 CALCULO DEL CALOR AL REMOVER EL AIRE Se determinó usando la siguiente ecuación del balance de materia. Donde: Qr= calor a retirar del aire (KJ/s) Hs= entalpia de salida del aire (KJ/kg de aire seco) He= entalpia de entrada del aire (KJ/ kg de aire seco) G= flujo másico de aire seco. (Kg/s) LAS ECUACIONES ANTERIORES SE TOMARON DEL TREYBAL (2000) 

AREA DEL INTERMCABIADOR DE CALOR

Se estableció usando la ecuación y tabla.

Donde: S= área del intercambiador ( m2) Qr= calor a retirar del aire (KJ/s) h= coeficiente de transferencia de calor (convección forzada, W/m 2 K) ΔTm = diferencia media logarítmica entre el refrigerante y el aire. K El coeficiente de transferencia de calor se fijo en 10 Kcal/h*K*m2 22 W/m2*K de acuerdo a la velocidad del aire y el tipo de intercambiador según la tabla de proveedores.  TRABAJO DEL COMPRESOR. Se calculó realizando el balance de energía en la etapa de compresión de un ciclo típico de refrigeración mecánica. Wc= h3 – h2 Donde: Wc= trabajo suministrado por el compresor (KJ7 kg de refrigerante) H3= entalpia después de la compresión KJ/ kg de refrigerante) H2= entalpia antes de la compresión (KJ/kg de refrigerante)

Donde: Pc= potencia del compresor (KW) m= flujo másico (Kg/s) 0.6 =eficiencia del compresor. La temperatura de entrada al compresor se definió en 4.5 ºC y a la salida de 32.2 ºC. El refrigerante utilizado es el R-12. LAS ECUACIONES SE TOMARON DEL ROY (2001)



SISTEMA DE CALENTAMIENTO

Para el calentamiento del aire se emplearon resistencias eléctricas aleteadas con el fin de mejorar la transferencia de calor, y se dispusieron de manera que el flujo de aire siempre fuera transversal a ellas. Se hizo el cálculo utilizando la siguiente ecuación:

Donde: KWr= kilo watts requeridas por la resistencia Cfm= metros cúbicos por minuto de aire ΔT= delta de la temperatura en Fahrenheit